試析高清混合視頻矩陣的研究及FPGA實現

季正勃

（中國人民解放軍東部戰區信息通信團，南京 210000）

隨著視頻技術以及相關領域科學技術的發展，視頻矩陣的需求日益高漲。目前在一些視頻應用中需要運用到幾個或者多個屏幕來對相應的視頻信號進行顯示。但是，實際上，視頻信號在顯示過程中會受到品目尺寸的限制，屏幕的尺寸無法無限制的進行延伸和擴張，因此目前的時間共享視頻顯示至關重要。視頻矩陣應用之后能夠依據不同的信號源將視頻的格式轉化成VGA、AV、DVI以及HDMI。視頻矩陣的切換器不同，對應的信號源也有所區別。然而實際應用中，視頻源種類是極為豐富的，在這種情況下，假如僅僅運用單一的視頻矩陣，那么就必須使用中央控制系統來實現其實現必要的功能，然而如果使用了中央控制系統，那么就必然會擴展項目的進度，使得項目的費用有所提升。如果擁有具備模擬、數字、高精細、明確的視頻信號的各種形式的輸入視頻信號接口，那么在應用中就能夠實現不同的視頻格式信號的訪問，可以滿足各種項目以及視頻源信號的需求。這個視頻矩陣稱為混合視頻矩陣。與此同時，人們生活水平的不斷提升，對于視頻要求也在不斷提升，原本的視頻形式已經無法滿足人們的實際需求。在這種情況下高清視頻發展成為一種必然趨勢。

1 視頻矩陣的工作原理

視頻矩陣的基本工作原理是將m路視頻信號任意輸出至n路監看設備上的電子裝置。視頻切換矩陣的概念是對線性代數概念的引用，從而構成如下圖1所示的矩陣結構，并最終達成對視頻信號的傳輸及切換效果。

圖1 視頻矩陣的基本結構

視頻矩陣的基本結構如上圖1所示，由IN1、IN2…INm總共m個輸入和OUT1、OUT2…OUTn這n個輸出組成的一個mxn路的矩陣。

每個輸入和全部輸出都存在交點。這就表明在這一點上，連接著輸入和輸出。隨著輸入/輸出的增加，輸入/輸出間的交叉點數在指數函數上呈現遞增趨勢。現在，視頻矩陣的規模逐漸擴展，輸入帶寬和輸出帶寬的要求也在不斷提升。同時，視頻矩陣的結構設計、電路設計、可靠性設計和放熱性能等相關要求都有所提升。

監視的普及和拓展，造成監視點數量和規模逐漸增大，前段照相機的數量以及其它類別監視設備應用越來越廣泛實際應用中，大規模的監視系統，前端的照相機可能達到上千個。目前大規模的電視系統通常可以達到256輸入或更多的輸入。因此，具有更高適應性的視頻矩陣正在變得越來越關鍵。

圖2 混合視頻矩陣的結構模式圖

上圖2是混合視頻矩陣結構模式示意圖，由該圖我們能夠得知，混合視頻矩陣結構涉及到5各組成部分，分別為：輸入模塊，視頻數據切換交換模塊，輸出模塊，控制模塊以及電源模塊。

2 高清混合視頻矩陣功能實現設計

輸入部分：

輸入部是由輸入卡構成的，根據性能需求的不同，輸入卡數量由一到多不等。這些輸入卡在對視頻輸入實現解碼之后會收集并傳送到交換背板。現在，隨著技術的發展應用，視頻格式解碼芯片的中誒非常多，相關的視頻格式都能夠從市場中直接購置解碼芯片來對其進行完成解碼，這樣能夠實現解碼的高速化，并且其具有優良的穩定性。在此過程中，需要解碼的視頻數據會按照既定的流程傳輸到交換背板。鑒于輸入影像的分辨率支持1920×1200，因此為了實時傳輸這樣的大規模數據，那么久需要傳輸速度高且輸入量大的設備元器件。在視頻數據傳輸速度超過3Gb/s的情況下，1920×1200的分辨率是恢復頻率為60Hz，所以必須選擇能夠實時傳輸視頻數據的總線模式。

交換背板部分：該部分最重要的功能就是完成視頻數據的復制以及高速開關。輸入視頻數據可以被映射到輸出通道中的任何一個，以消除視頻開關以及切換功能。

輸出部分：

輸出部主要接收從交換背板發送到的視頻數據，之后要對其實施有效處理。完成之后要輸出為高清分辨率。另外，處理的數據被編碼芯片進行編碼，然后經由標準的視頻電纜將其發送到監視裝置完成輸出流程。

控制部分：

控制部由兩個部分構成，一個是主機計算機的軟件控制，該部分主要用在電腦上，使用通信接口開發工具控制設備的軟件和控制。另一個是面板控制，該結構主要通過面板按鈕和液晶顯示器來實現對設備的控制。

3 輸入部分FPGA的實現

輸入FPGA最為核心的性能就是把接收到的視頻數據轉化成為統一格式，然后把這些數據傳輸到系統的交換背板。鑒于輸入分辨率為1920×1080，因此這個分辨率的像素時鐘達到了160兆。實際工作中，為了實現對這一分辨率數據的實時傳輸，其傳輸速度要保持在3Gbit/s以上。因此系統設計中選擇使用FPGA的主時鐘頻率是125MHz。背板的FPGA主要涉及到兩大功能。一是實現同步信號的發送；二是對各個背板的電順序以及時間間隔進行有效控制。背板FPGA的設計以及實現示意圖如圖3所示。SPI通信總線通過MCU實現寄存器狀態讀寫。

4 背板FPGA的實現

圖3 背板FPGA設計實現框圖

5 縮放算法的FPGA實現

因為輸出視頻信號都是高清分辨率視頻信號，并且還需要能夠調整輸出分辨率。有鑒于此，在系統中就必須要選擇使用定標算法。現代的補充算法涵蓋線性和非線形互補、合理的補充間、表面再構成、適應區域補充等，然而大部分的算法都是集中在硬件上進行實現的，這一過程太過復雜。硬件上一般使用的算法包括互補算法、雙線形補充算法、BICBIC補充算法等。最鄰近插值實現簡單，然而其對圖像的處理效果并不好。雙線性插值法計算量比最鄰近插值比較大，然而處理的圖像的輪廓會稍微模糊。這是因為雙線插值算法設置了低通濾波器，因此高頻成分會損壞。本設計采用了雙三次插值算法，但為了改善計算效率而對其實施離散化處理，把實數運算改為整數運算。有效地克服該算法中存在的問題。

6 結束語

綜上所述，高清混合視頻矩陣的應用對于現代視頻行業的發展具有極大的推動作用，加強對其進行研究具有重要意義。